奖金300万美元！获得基础物理学突破奖的超引力理论提出者是怎样炼成的？

昨夜，三位超引力理论提出者获300万美元根本物理学冲破奖

本地时候2019年8月6日，奖金高达300万美元的根本物理学出格冲破奖（ Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics）颁布发表授予超引力理论的提出者，物理学家Sergio Ferrara、Daniel Z. Freedman和Peter Van Nieuwenhuizen。

广义相对论将引力彼此感化视作物质对时空的弯曲感化，而根基粒子理论将彼此感化视作物质对量子场的感化。这两种矛盾的描述长久困扰着物理学家，而超引力理论将描写空间弯曲的引力与描写根基粒子的量子场连系了起来。我们知道时空的坐标一般都是用实数来描写的。在超引力理论中，人们假设时空还有一种费米性，是以引入了否决易数，并操纵实数和否决易数一路来描写这种有费米性的时空。

编译 | 七夕夜的三叶草

校对 | 于槐、高木槐

本地时候2019年8月6日，根本物理学冲破奖评选委员会（The Selection Committee of the Breakthrough Prize in Fundamental Physics）颁布发表，奖金高达300万美元的2020年根本物理学出格冲破奖授予超引力的提出者，物理学家Sergio Ferrara（CERN）、Daniel Z. Freedman（MIT和斯坦福大学）和Peter van Nieuwenhuizen（纽约州立大学石溪分校）。这三位科学家因提出了超引力理论而获此殊荣。在超引力理论中，描写根基粒子量子变量当作为描述时空几何的一部门。

Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z. Freedman | 图片来历：CERN

此前该奖获得者包罗初次发现射电脉冲星的约瑟琳·贝尔·伯奈尔（Jocelyn Bell Burnell）、斯蒂芬·霍金、在发现希格斯玻色子的尝试中阐扬本家儿导感化的欧洲核子研究中间（CERN）的七名科学家，以及探测引力波的LIGO合作团队。

评选委员会本家儿席爱德华·威滕（Edward Witten）说：“超引力的发现是在描述时空动力学时引入量子变量的起头。惹人注目标是，爱因斯坦方程可以被推广当作为所谓的超引力理论。”

冲破奖的设立者之一Yuri Milner说：“当我们想到人类想象力的伟高文品时，我们凡是指的是艺术、音乐和文学。但一些最为深刻而斑斓的作品是科学家缔造的。曩昔几十年来，超引力一向激励着物理学家，这个理论中可能蕴含着关于实际素质的深刻真理。”

01超引力

Ferrara、Freedman和Van Nieuwenhuizen是超引力的构建者。超引力是1976年提出的一个极为有影响力的理论，它当作功地将引力整合到一种特心猿意马的量子场论傍边。量子场论是用合适量子力学心猿意马律的场来描述天然界中根基粒子和彼此感化的理论。

上宿世纪60年月和70年月初成立的尺度模子是一种量子场论，至今仍是物理学中获得最切确验证的理论，其当作果包罗预言希格斯玻色子的存在。然而，一个很较着的事实是，尺度模子并不完整。出格是它只描述了天然界的三种感化力：它没有考虑引力，而引力属于爱因斯坦广义相对论的范畴。此外还有很多谜题无法解答，好比一些粒子的质量比预期值低很多个数目级，也没有任何粒子可以诠释暗物质这种遍布整个宇宙的不成见物质。

然后到了1973年，物理学家成长了“超对称性”道理，它扩展了尺度模子以包罗新的粒子家族。超对称性理论假设，每一个已知的粒子都有一个看不见的“伙伴”：费米子（组成物质的根基粒子，好比电子和夸克）有玻色子（携带感化力的粒子）作为伙伴；而玻色子（好比光子）则有对应的费米子作为伙伴。

固然这些“超玻色子（super-boson）”和“超费米子（super-fermion）”是否存在还有待尝试证实，但超对称性因其壮大的诠释能力而惹人注目。它将费米子和玻色子的特征联系起来，作为一种潜在对称性的表示形式——就像分歧的外形可能是统一个物体在镜子中的分歧的反射一样。它还为尺度模子中一些令人猜疑的谜题供给领会决方案，此中包罗诠释粒子细小质量的机制，以及暗物质的天然候选者——暗物质就像是假设中的“超玻色子”一样，质量大但不成见。

可是要想用超对称性来描述我们四周所确实看到的现象，好比苹果落地，那就必需将超对称性扩展到包罗引力。这恰是 Ferrara、Freedman 和Van Nieuwenhuizen 曾下心猿意马决心要实现的方针。他们三人的合作起头于Ferrara和Freedman 1975年在巴黎高档师范黉舍的多次会商，接着是与Van Nieuwenhuizen的合作，最终经由过程那时最进步前辈的计较机上一系列冗长繁复的计较而完当作：他们当作功地构建了一个包罗“引力微子（gravitino）”的超对称理论，引力微子是引力子（携带引力的玻色子）的超对称伙伴粒子，它是一种规范费米子。

超引力理论不是广义相对论的替代办署理论，而是广义相对论的超对称版本：这个理论中利用的代数包含了暗示部门时空几何的变量——在爱因斯坦的理论中组成引力的几何。

02影响深远的超引力理论

自从超引力理论提出四十年来，它一向对理论物理学发生着庞大的影响。超引力理论表白，超对称机能够诠释我们在实际宿世界中所看到的所有现象，包罗引力。它代表着我们今朝对粒子物理学理解的完当作，对“天然界的什么理论同时与量子力学和狭义相对论这两个根基道理相容？”这一问题给出了一个严酷缜密的数学解答。它还为成立一个从根基层面上描述时空的完整的量子引力理论供给了根本——人们此刻依然为之奋斗。

1981年，威滕证实，这个理论可以用来为广义相对论中一个极其复杂的心猿意马理给出一个半斤八两简单的证实。在那之后不久，超引力被整合到弦理论中——当描述低能量的彼此感化时，弦理论现实上等价于超引力。这是1984年麦克尔·格林（Michael Green）和约翰·施瓦茨（John Schwarz）的证实的一个极为关头的构成部门，他们的证实使得超弦理论得以成立在安定坚实的数学根本上。超引力在库姆伦·瓦法（Cumrun Vafa）和安德鲁·斯特罗明格（Andrew Strominger）关于量子黑洞的研究，以及后来在胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）等人的“全息”引力理论的成长中也阐扬了主要感化。

03超引力何时能被尝试验证？

超对称和超引力的概念很是令人信服，物理学家至今仍在苦苦寻找尝试证据来证实他们的展望。Van Nieuwenhuizen暗示：“超引力中最关头的问题就是超对称粒子的发现，而这只有尝试物理学家才能解决。“

科学家但愿，大型强子对撞机（LHC）的尝试中会呈现这些粒子的证据。不外到今朝为止，证据还没有呈现。现在，物理学家正在扩大他们的研究规模，寻找新粒子的非传统特征，包罗超对称性和超引力展望的那些特征。他们也在切确地测量那些已知的过程，不雅察是否存在与尺度模子的展望纷歧致的处所。

Van Nieuwenhuizen说：“让我们但愿大天然会意识到我们的尽力。经由过程解决那些持久存在的问题，这个斑斓的数学模子已经为物理学做出了进献，而它在数学上的进献甚至更大。我但愿它不仅仅是数学和物理中的东西，而是一种物理实际。”

Freedman说，超引力的概念源于对携带力的粒子的熟悉，这些粒子与强、弱和电磁力有关，我们已经在天然界探测到了它们。“在我看来，大天然很有可能也知道超引力。”

按照打算，在本宿世纪20年月中期，大型强子对撞机将进行进级，这将为物理学家供给更大都据，以便继续寻找可能存在的任何新粒子。

Ferrara认为，超引力被尝试验证只是时候问题罢了。“在展望存在希格斯玻色子之后，我们花了快要60年的时候才发现它。对于超引力，我们也需要差不多同样长的时候。”

Peter van Nieuwenhuizen在得知本身获奖后接管了采访，下面是来自纽约州立大学石溪分校官网刊发的对话。

Peter van Nieuwenhuizen

Q:你是怎么得知本身获奖的？

A:我刚从荷兰回来。那时我正坐在餐桌边付账单，电脑上弹出来一条动静，是爱德华·威滕（Edward Witten）发给我的。他是个闻名的物理学家，是冲破奖甄选委员会本家儿席。他发动静问我什么时辰便利接德律风，德律风号码是几多。我答复他说“此刻就行”，把我的号码给了他。然后我就接着付账去了，可是并没有德律风打进来。

大要20分钟今后，我看了一下电脑，发现Edward又给我发了一条动静。他说：“我刚打给你，成果是马萨诸塞州一个叫Johnny Johnson的家伙接的。”晕，我给错了区号！我又给他准确的号码，跟他说“可能是因为我还在倒时差”。这下我顿时接到了他的德律风。

我那时很担忧他会问我很难的超引力方面的问题。他很伶俐的。我有点儿严重，因为我可能回覆不出来。成果，我拿起德律风，他对我说：“我是Edward Witten。祝贺你获得了2020年根本物理学出格冲破奖。”

对我来说这绝对是个惊喜。这么多年来，我们一向巴望得奖，成果每次得奖的都是别人。当然，我们从来没有思疑过，他们都是极其优异的物理学家。只是这么多年下来，我早就不做指望了。所以Edward告诉我获奖的时辰，我真的是说不出话来。我跟他说：“呃，我不知道该说什么，我早就抛却但愿了。”他说：“不必多言。请不要奉告任何人。”就是这样。这是我人生中最短、含金量最高的德律风。

Q:关于超引力的发现，我们是不是还在期待“重大发现，确凿证据”？

A:证据就在那儿。理论已经有了，数学上一切都很清楚。这个奖是为了表扬我们做过的理论工作。但还不清晰这是不是真实描述天然的理论。只有找到超对称粒子，我们的理论才能当作为物理实际。我每次写文章，结从头至尾都要写“但愿大天然意识到我们的尽力。”

Q:你认为，我们今天的手艺和资本是不是可以或许找到超对称粒子了？

A:到今朝为止，在芝加哥四周的费米尝试室、在日内瓦四周的欧洲核子研究中间，都没有发现超对称粒子。据说中国要建新的加快器，我们拭目以待。

Q:你是怎么会和Freedman、Ferrara一路研究起超引力概念的？

A:那时Freedman在这儿（纽约州立大学石溪分校）教书，Ferrara在CERN。有次，Freedman在去巴黎的路上碰着了Ferrara，两人会商了超引力的概念。Freedman回来后就把我叫上一块儿研究，就在此刻这间办公室。我们全程经由过程打德律风、写信联系Ferrara。

Q:给我们讲讲整个研究过程吧。有没有“啊哈！”那样的名顿开的时刻？

A:有的。我们完当作了很是很是复杂的计较。真的很复杂，我们算了好几个月，感觉必定搞不心猿意马。但我的导师，诺奖得本家儿Veltman，他教我学会了用计较机，所以我决议用Brookhaven四周的CDC电子计较机来解决问题。我们在德律风中往返会商成果。因为担忧花销太多，我们写程序的时辰尽量精简，最后用了30到40美元，今天看来，比起这个项目，这点钱算啥。

有天很晚了，我坐在办公室的计较机旁，那时辰我们已经走到最后一步了：一切都查抄过了，所有工具都不克不及再调整或点窜了。有2000个系数都必需为零——它们都是整数，要么是0，要么是1或者2，归正不克不及有0.1、0.2之类的小数。所以计较机程序就不必利用高精度。若是这些参数里面肆意一个不为0，理论就掉败了，我们就将前功尽弃。

第一批数据出来了，然后是第二批、第三批，依次往后。我们已经知道第一批数据中的系数都是零，因为在之前的运算中，它们都可以归零。关头在于是不是所有其他系数也都能归零。一批批的数据不竭从Brookhaven出来——1600、1700，仍是零——1800、1900，终于到第2000个，所有的系数都为零！就在那个时刻，我知事理论当作立了。

我很累。我三更给Freedman打德律风，他那时在芝加哥开会，在旅店歇息。我说：“Dan，都搞心猿意马了。”他说：“好极了。”然后打了个哈欠又睡曩昔了。

大师都问我是不是欢欣鼓舞，兴高采烈，但说真话，忙了好几个月，我只感应十分怠倦。所以我回家睡觉了。直到好几天后，我才意识到这是个重大发现。

Q:黉舍里庆贺了吗？

A:一起头是没奖励的，我们只需要写学术论文。我们在The Physical Review发了文章，阐述了我们的发现。后来我们还给这篇论文加了个附录，申明计较机计较表白表白我们的理论是当作立的。

至于我小我，我被升任为首席传授（Leading Professor），后来又当作为精采传授（Distinguished Professor）。有些机构邀请我去工作，但我决议留在这里——我感觉这是一个明智的决议。

Q:你从1975年起就待在纽约州立大学石溪分校了，适才你还说留在这里是个明智的决议，为什么呢？

A:最本家儿要的原因是，我喜好在这儿教高级研究生课程，学生对这些课出格沉迷，他们一向激励着我。能有这样跟随你的听众，别无所求。

Peter van Nieuwenhuizen 在黑板前

Q:你同时也附属于杨振宁理论物理研究所？

A:对。1975年杨振宁把我招进去的。他是我的研究所本家儿任。他老是很是很是撑持我，这也是我喜好呆在这儿的另一个原因。

那时我在波士顿，踌躇不决，因为有人告诉我纽约是个很危险的处所。我第一次来这儿的时辰，走在老物理楼旁边，看到一个年青人疾走，一个春秋大点的男的扑上去死死按住他。我看到那一幕，吓坏了。后来才知道，那个年青人是个学生，他假充另一个学生，犯了诈骗罪；春秋大点的汉子是个传授，要抓住那个学生。

不管怎么说，我跑回波士顿。可是杨振宁给我打德律风，说我应该回石溪去。我就去做了个学术陈述，一起头陈述很顺遂，大师都在听，但后来突然所有人都分开我，跑去房间的另一头，有小我从Brookhaven进来，拿着一张纸，上面有一个庞大的、意想不到的测量峰值。后来知道是粲夸克。我决议接管杨振宁的邀请，在这里做助理传授。

Q:你筹算怎么利用这笔奖金？

A:这笔钱数额惊人，我还没想过，因为我压根儿没想到我们会得奖。好在我不消立即想出谜底。

跋文

超引力理论是数学物理的一个重大发现。它认为时空带有一种费米性，并是以引入了一种否决易数。在超引力理论中，时空是有由对易的实数和新的否决易数来描写的。用这一新不雅念所成立的超引力理论，是一种很是特别的量子场论，其带有超对称。这一类量子场论有很多很是奇奥的性质，它吸引了良多人在这一偏向做研究，也取得了良多进展。但我们所糊口的时空是否真有这种费米性，超引力理论是否真的能描写我们的宿世界，还有待于尝试验证。今朝的高能加快器尝试没有找到任何超对称的迹象。

《返朴》的一些文章（如“拓扑序：看宿世界的一种新视角 | 众妙之门”）介绍了对时空的另一种分歧的观点。我们认为，时空是由许很多多具有量子特征的量子比特来描写的，而不是由对易的实数和新的否决易数来描写的。当组成时空的量子比特海具有一种由弦网来描写的量子纠缠时，弦的端点可所以费米子（其对应于电子夸克等费米子），而弦的密度波是描写各类彼此感化的规范场（其对应于光子胶子等传布力的粒子）。这也是一种量子时空，并且是一种同时带有费米性和规范性的量子时空。但这种量子时空没有超对称，也不被超引力理论来描写。

——文小刚

参考资料

https://breakthroughprize.org/News/53

https://news.stonybrook.edu/facultystaff/qa-with-breakthrough-prize-winner-peter-van-nieuwenhuizen/?from=timeline&isappinstalled=0

https://www.symmetrymagazine.org/article/breakthrough-prize-awarded-to-architects-of-supergravity

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